Aplicaciones de los principios de la dinámica · Física 13/Aplicaciones de los principios de la dinámica 261 Se deja un cuerpo sobre un plano inclinado 50º con la horizontal

260

Aplicaciones de los principiosde la dinámica13

Física

Cuando sobre la superficie de una carretera asfaltada hay agua o hielo es más peligroso circular. ¿Por qué?

El agua o el hielo forman entre la superficie del pavimento y los neumáticos del vehículo una espe-cie de película extremadamente deslizante de forma que el coeficiente de rozamiento se reducede forma drástica, en consecuencia las ruedas no se «agarran» correctamente al asfalto. El movi-miento de rotación de los neumáticos no lleva consigo una fuerza de rozamiento que lo permitagirar o frenar correctamente.

El coeficiente de rozamiento de una carretera horizontal y de otra inclinada es el mismo, sin embargo, el rozamien-to no. ¿Por qué?

El coeficiente de rozamiento depende fundamentalmente de la naturaleza y del estado de lassuperficies puestas en contacto, por tanto, será independiente de si la carretera es horizontal oinclinada.

La fuerza de rozamiento es proporcional a la normal. Si la carretera es horizontal la normal tieneel mismo valor que el peso del cuerpo, mientras que si la carretera está inclinada, la normal esmenor que el peso del cuerpo y, en consecuencia, la fuerza de rozamiento será menor.

La fuerza de rozamiento se opone al movimiento. ¿Sería posible el movimiento de una persona o un coche si nohubiera rozamiento?

Cuando los vehículos, animales y personas inician el movimiento, lo hacen como resultado de lasfuerzas de reacción correspondientes a las acciones ejercidas sobre el suelo por los mismos. Sinrozamiento no existirían dichas reacciones de forma que los vehículos harían girar las ruedas perono se desplazarían. Las personas y animales se resbalarían («patinarían») sin poder moverse.

Sobre la superficie de un lago helado se lanza un taco de acero a la velocidad de 15 m/s. Si la fuerza de rozamien-to dinámico es el 3% de su peso, ¿con qué aceleración se mueve el taco? ¿Qué espacio puede recorrer hastapararse?

Sobre el taco solo existe aplicada en la dirección del movimiento la fuerza de rozamiento dinámi-co cuyo valor será:

Fr = P = 0,03 · m · g

Esta fuerza tiene sentido contrario al del movimiento, por tanto, sitomamos la dirección del movimiento como eje x, y sentido positivoel del movimiento, la ecuación fundamental de la dinámica se escri-biría como:

–Fr = m · a → a = –

a = – = –0,03 g = –0,03 · 9,81 = –0,29 m/s2

La aceleración obtenida es constante, en consecuencia, el movimiento del trozo de hielo será uni-formemente decelerado. Por tanto:

v2 = v20 + 2 a · s → s = = = 388 m02 – 152

2 · (–0,29)v2 – v2

0

2 a

0,03 m · gm

Fr

m

3100

4

3

2

1

N

PFr

x

y

FisicaQuimica1BacPD09a16 30/5/08 10:20 Página 260

A-PDF Manual Split Demo. Purchase from www.A-PDF.com to remove the watermark

http://www.a-pdf.com/?ms-demo

Física

26113/Aplicaciones de los principios de la dinámica

Se deja un cuerpo sobre un plano inclinado 50º con la horizontal. Si entre el cuerpo y el plano existe un coeficien-te de rozamiento dinámico de 0,25, ¿cuál es la aceleración y cuál la velocidad a los 5 s?

Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia elcentro de la Tierra.

• La normal N, perpendicular a la superficie de contacto y haciaarriba.

• La fuerza de rozamiento Fr, en la dirección del movimiento y ensentido contrario.

Las proyecciones de estas fuerzas sobre los ejes son:

P = (Px, Py) = (m · g · sin 50º, –m · g · cos 50º); N = (0, N)

El valor de esta fuerza de rozamiento sería:

Fr = 0,25 N

En consecuencia, la fuerza de rozamiento será:

Fr = (–0,25 N, 0)

Aplicamos la ecuación fundamental de la dinámica, Ftotal = m · a, sobre cada uno de los ejes:

En el eje y:

N – m · g · cos 50º = 0

En el eje x:

m · g · sin 50º – 0,25 · N = m · a

Despejando la normal de la primera y sustituyendo en la segunda:

m · a = m · g · sin 50º – 0,25 · m · g · cos 50º

Simplificando por la masa y sustituyendo los datos:

a = g · (sin 50º – 0,25 · cos 50º) = 5,9 m/s2

La velocidad a los 5 s, si parte del reposo, es:

v = a · t = 5,9 · 5 = 29,5 m/s

En una mesa hay un carrito de masa M = 150 g unido a la masa m = 20 g que cuelga mediante un hilo que pasapor una polea de masa despreciable. Si el sistema se mueve sin rozamiento, calcula la aceleración y la tensióndel hilo.

Como el sistema consta de dos cuerpos conviene separarlos. En el carrito, la dirección de su movi-miento y su sentido será el eje positivo de las x. Las fuerzas aplicadas son:

• El peso: P = (0, –M · g).

• La normal: N = (0, N).

• La tensión de la cuerda: T = (T, 0).

6

5

P

N

y

x

Fr

PyPx

50°

50°

50°



Física

262

Aplicando: F = m · a, a cada uno de los ejes obtenemos:

En el eje x:

T = M · a

En el eje y:

– N + M · g = 0

En el otro cuerpo, la dirección del movimiento y su sentidoserá el eje y’. Las fuerzas aplicadas son:

• El peso: P’ = (0, m · g).

• La tensión de la cuerda: T = (0, –T).

Aplicando la ecuación del segundo principio al eje y, obtenemos para el segundo cuerpo:

m · g – T = m · a

En definitiva disponemos de dos ecuaciones con dos incógnitas, la tensión de la cuerda T, y la ace-leración del sistema a:

T = M · a

m · g – T = m · a

El sistema se puede resolver sumando las ecuaciones y despejando la aceleración:

a = · g → a = 1,15 m/s2

La tensión se obtiene sustituyendo la aceleración en una cualquiera de las ecuaciones:

T = 0,17 N

Sobre una mesa hay un taco de madera de 500 g unido, mediante un hilo que pasa por una polea de masa despre-ciable, a otro de 250 g que cuelga. Si los coeficientes de rozamiento estático y cinético son μe = 0,30 y μc = 0,25,respectivamente:a) Demuestra si se deslizará el taco de la madera. b) En caso afirmativo, halla la aceleración y la tensión del hilo.

a) El sistema se moverá si el peso del cuerpo que cuelga del hilo es mayor que la fuerza de roza-miento estático máxima entre el taco sobre la mesa y la propia mesa.

m’ · g > μ · m · g → m’ > μ · m → 0,25 > 0,30 · 0,5 = 0,15

En consecuencia, se mueve.

b) Como el sistema consta de dos cuerpos conviene separarlos. En el cuerpo apoyado sobre elplano, la dirección de su movimiento y su sentido será el eje positivo de las x. Las fuerzas aplica-das son:

• El peso: P = (0, –m · g).


• La fuerza de rozamiento una vez el taco está enmovimiento: Fr = (–μ’ · N, 0).


Aplicando que F = m · a, a cada uno de los ejes obte-nemos:

En el eje x:

T – μ’ · N = m · a

En el eje y:

N – m · g = 0

N

P

Fr

P′

T

T

m′

m

x ′

y ′

x

y

N

P = M · g

P′ = m · g

T

T

m

x

y

M

7

mM + m


Física


Despejando la normal de la segunda ecuación y sustituyendo en la primera obtenemos:

T – μ’ · m · g = m · a

En el otro cuerpo, la dirección del movimiento y su sentido será el eje positivo de las y. Las fuerzasaplicadas son:

• El peso: P’ = (0, m’ · g).


Aplicando la ecuación del segundo principio al eje y, obtenemos para el segundo cuerpo:

m’ · g – T = m’ · a

En definitiva disponemos de dos ecuaciones con dos incógnitas, la tensión de la cuerda T, y la ace-leración del sistema a:

T – μ’ · m · g = m · a

m’ · g – T = m’ · a

El sistema se puede resolver sumando las ecuaciones y despejando la aceleración:

a = · g → a = · g = 1,64 m/s2

La tensión se obtiene sustituyendo la aceleración en una cualquiera de las ecuaciones:

T = 2,04 N

Una joven de m = 55 kg está dentro de un ascensor que desciende con aceleración constante de 1 m/s2. ¿Qué fuer-za ejerce el suelo del ascensor sobre la joven?

Tomando el sistema de referencia fuera del ascensor y sentido positivo el del movimiento, se vebajar a la joven con aceleración a.

Las fuerzas que actúan sobre la joven son:

• El peso: P = (0, m · g).

• La normal: N = (0, –N).

Aplicando la ecuación fundamental de la dinámica al eje y, obtenemos:

m · g – N = m · a → N = m · (g – a) = 55 · (9,81 – 1) = 485 N

Un péndulo está constituido por una esfera de 300 g de masa que cuelga mediante un hilo del techo de un vagónde tren. Si partiendo del reposo el tren acelera con una aceleración constante de 3 m/s2, el péndulo se desplaza uncierto ángulo de su posición de equilibrio.a) ¿En qué dirección y sentido se desplaza la masa del péndulo?b) ¿Qué ángulo forma el péndulo con la vertical mientras dura la aceleración?c) ¿Cuál es la tensión del hilo?

a) La masa se desplaza en la dirección del movimiento del vagóny en sentido contrario a este.

b) Tomando el sistema de referencia dentro del vagón, se ve elpéndulo, en reposo, inclinado un ángulo α hacia la parte pos-terior del vagón debido a la fuerza de inercia, fi.

Las fuerzas aplicadas son:

• El peso: P = (0, –m · g).

• La tensión del hilo: T = (Tx, Ty) = (T · sin α, T · cos α).

• La fuerza de inercia: fi = (–m · a, 0).

T

P

Tx

Ty

fi

α

y

x

N

P

9

8

(0,25 – 0,25 · 0,5)0,5 + 0,25

(m’ – μ’ · m)m + m’


Física

264

Aplicando la ecuación fundamental de la dinámica a cada uno de los ejes, recordando que el pén-dulo está en reposo respecto al vagón, obtenemos:

En el eje x:

T · sin α – m · a = 0

En el eje y:

T · cos α – m · g = 0

Si despejamos los términos en los que está la tensión y dividimos obtenemos:

tan α = = = 0,31 → α = 17º

c) La tensión se obtiene sustituyendo el ángulo en cualquiera de las ecuaciones:

T = = = 3,1 N

En las sillas voladoras, la plataforma superior tiene un radio rp = 11 m, y la longitud de las cadenas de las que cuel-gan las sillas es l = 5 m.

a) ¿Con qué velocidad angular, ω, se debe hacer girar la plataforma para que las sillas se separen de la vertical unángulo de 30º?

b) ¿Qué tiempo se tardaría en dar una vuelta?

a) Resolveremos el ejercicio respecto de un observa-dor situado fuera de la atracción.

Sobre la silla actúan las siguientes fuerzas:

• El peso: P = (0, –m · g).

• La tensión T = (T · sin 30º, T · cos 30º).

Aplicando la ecuación fundamental de la dinámica acada uno de los ejes obtenemos:

En el eje x:

T · sin 30º = m · ac = m · ω2 · R

En el eje y:

T · cos 30º – m · g = 0 → T · cos 30º = m · g

Dividiendo entre sí estas ecuaciones, obtenemos:

tan 30º =ω2 · R

g

P

T

rp

30°

R

I = 5 m

x

y

T

P

10

0,3 · 3sin 17°

m · asin α

ag

m · am · g


Física


Despejando la velocidad angular obtenemos:

ω = �El radio de la circunferencia que describe la silla, R, será:

R = rp + l · sin 30º = 11 + 5 · sin 30º = 13,5 m

Sustituyendo los datos:

ω = � = 0,65 rad/s

b) El periodo sería:

T = = = 9,7 s

Con una honda de 50 cm de cuerda se lanza una piedra de 100 g con una velocidad de 25 m/s. Suponiendo que lahonda gira en un plano vertical, determina en el instante anterior al lanzamiento: a) La velocidad angular de la piedra en rad/s y rpm. b) La tensión de la cuerda. c) La relación en la que se encuentra la tensión de la cuerda con el peso de la piedra.

a) La velocidad angular está relacionada con la velocidad lineal en la forma:

v = ω · R → ω = = = 50 rad/s

Expresada en rpm sería:

ω = 50 · = 50 · rpm = 477 rpm

b) En el punto de abajo, cuando se produce el lanzamiento, las fuerzas queactúan sobre la piedra de la honda son:

• El peso: P = (0, –m · g).

• La tensión de la cuerda: T = (0, T).

Aplicando el segundo principio, teniendo en cuenta que la aceleración queexiste es la aceleración centrípeta, obtenemos:

T – m · g = m · → T = m · + m · g = 0,1 · + 0,1 · 9,81 = 126 N

c) La relación entre la tensión de la cuerda y el peso será:

= = 128

La tensión es 128 veces mayor que el peso.

Un cuerpo está en reposo sobre un plano horizontal cuyo coeficiente de rozamiento estático vale μ, sin que se ejer-zan fuerzas sobre él en la dirección horizontal. a) ¿Existe fuerza de rozamiento? b) ¿Qué significado tiene la expresión Fr = μ · N, para la fuerza de rozamiento?

a) No, si el cuerpo está en reposo y no se ejercen fuerzas sobre él, aunque haya un coeficiente derozamiento entre el plano y el cuerpo, no habrá fuerza de rozamiento mientras no se intentecambiar el estado de movimiento del cuerpo.

b) Cuando ejercemos una fuerza F, para mover el cuerpo horizontalmente, la fuerza de rozamientoestático crece desde cero hasta μ · N. De esta forma cuando F > μ · N, el cuerpo cambia su estado

P

T

12

TP

1260,1 · 9,81

v2

Rv2

R252

0,5

1/2π rev1/60 min

602π

vR

250,5

11

2πω

2π0,65

9,81 · tan 30°13,5

g · tan 30°R


Física

266

de movimiento. El valor, Fr = μ · N, es, por tanto, el valor máximo de la fuerza de rozamiento está-tico.

En consecuencia, si sobre un cuerpo en reposo ejercemos una fuerza F, puede ocurrir:

• F < μ · N → Hay fuerza de rozamiento estático, Fr = F, y no hay movimiento.

• F = μ · N → Hay fuerza de rozamiento estático, Fr = μ · N, y no hay cambios en el estado demovimiento del cuerpo.

• F > μ · N → Hay fuerza de rozamiento dinámico, Fr = μ · N, y hay cambios en el estado de movi-miento del cuerpo.

Explica la diferencia entre los coeficientes estático y cinético de rozamiento ¿Cómo se definen? ¿Cuál es mayor?

El coeficiente estático de rozamiento es el cociente entre la fuerza necesaria para iniciar el movi-miento de un cuerpo y la normal.

El coeficiente cinético de rozamiento es el cociente entre la fuerza necesaria para mantener uncuerpo con movimiento uniforme y la normal. Este coeficiente es algo menor que el estático.

Bajo la acción de una fuerza de 8 N, un taco de madera cuya masa es de 1,4 kg se mueve en un plano horizontalcon una aceleración de 4 m/s2. Demuestra si hay rozamiento y, si lo hay, halla el coeficiente.

Supongamos que no existe rozamiento. Las fuerzas que actúan sobre el objeto son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y hacia el centro de la Tierra: P = (0, –m · g).

• La normal, N, reacción del suelo sobre el cuerpo, perpendi-cular a la superficie de apoyo y hacia arriba: N = (0, N).

• La fuerza F, ejercida sobre el objeto: F = (F, 0).

Aplicamos el segundo principio a cada uno de los ejes.

Sobre el eje y no hay movimiento, por tanto, al aplicar elsegundo principio en este eje queda:

N – m · g = 0 → N = m · g

Sobre el eje x existe aceleración, por tanto:

F = m · a → a = = = 5,7 m/s2

Como la aceleración del movimiento es menor, tiene que existir rozamiento, de forma que la ecua-ción sobre el eje x, sería:

F – Fr = m · a → F – μ · N = m · a → F – μ · m · g = m · a

Despejando el coeficiente de rozamiento obtenemos:

μ = = = 0,17

Un patinador se desliza sobre una pista de hielo horizontal, manteniendo una velocidad de 3,5 m/s. Si el coeficien-te de rozamiento entre los patines y el hielo es 0,03 y el patinador deja de impulsarse, ¿qué distancia recorreráhasta pararse?

15

Fx

y

13

8 – 1,4 · 41,4 · 9,81

F – m · am · g

81,4

Fm

14

P

N

F

y

x


Física


Cuando el patinador deja de impulsarse, la única fuerza que actúa sobre él en la dirección delmovimiento es la de rozamiento.


• El peso del cuerpo: P = (0, –m · g).


• La fuerza de rozamiento: Fr = (–μ · N, 0).

Aplicando el segundo principio de la dinámica, F = m · a, sobrecada uno de los ejes obtenemos:

En el eje x:

–μ · N = m · a

En el eje y:

N – m · g = 0

Resolviendo el sistema obtenemos:

a = –μ · g → a = –0,29 m/s2

El patinador lleva aceleración constante en la dirección del movimiento y sentido contrario a este.

Si la velocidad v0 = 3,5 m/s y se para, v = 0 m/s, el espacio recorrido será:

–v20 = 2 a · s → s =

Sustituyendo los datos obtenemos:

s = 21 m

Un cuerpo de 5 kg de masa se desliza por un plano horizontal. Al pasar por un punto, su velocidad es de 7 m/s y separa 8 m más allá, por efecto del rozamiento. Calcula: a) La aceleración del movimiento. b) La fuerza de rozamiento.c) El coeficiente de rozamiento.

a) Conocidas las velocidades y el espacio recorrido, la aceleración será:

v2 = v20 + 2 a · s → a = = = –3,1 m/s2

b) Las fuerzas que actúan sobre el objeto son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y hacia el centrode la Tierra: P = (0, –m · g).


• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimientoy en sentido contrario: Fr = (–Fr, 0).


Sobre el eje y no hay movimiento; por tanto, al aplicar el se -gundo principio en este eje queda:

N – m · g = 0 → N = m · g


–Fr = m · a = 5 · (–3,1) = –15,5 N → Fr = 15,5 N

c) El coeficiente de rozamiento se obtiene de la definición del valor de la fuerza de rozamiento:

Fr = μ · N = μ · m · g → μ = = = 0,32Fr

m · g15,5

5 · 9,81

P

N

Fr

y

x

P

N

Fr

y

x

0 – 72

2 · 8v2 – v2

0

2 s

16

– v20

2 a


Física

268

Un cuerpo de 10 kg se mueve en un plano horizontal por la acción de una fuerza paralela al plano de 75 N. Si el coe-ficiente de rozamiento es μ = 0,3, calcula:a) La aceleración del movimiento. b) La velocidad a los 5 m de recorrido. c) El tiempo que transcurre en esos 5 m.

a) Las fuerzas que actúan sobre el objeto son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y hacia el cen-tro de la Tierra: P = (0, –m · g).


• La fuerza F, ejercida sobre el objeto: F = (F, 0).

• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimientoy sentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).


Sobre el eje y no hay movimiento; por tanto, al aplicar el segundo principio en este eje queda:

N – m · g = 0


F – μ · N = m · a

Despejando la normal de la primera ecuación y sustituyéndola en la segunda obtenemos:

F – μ · m · g = m · a

Despejando la aceleración obtenemos:

a = = = 4,6 m/s2

b) Conocidas la aceleración y el espacio, la velocidad será:

v = � = � = 6,8 m/s

c) El tiempo se puede obtener a partir de la ecuación de la velocidad:

v = a · t → t = = = 1,5 s

Un cuerpo se lanza con una velocidad de 6,50 m/s hacia arriba por una rampa inclinada 4º. Si el coeficiente de roza-miento vale μ = 0,25, halla la aceleración de subida.

La dirección del movimiento y su sentido será el eje positivo de las x, el eje perpendicular a esteserá por tanto el de las y, con sentido positivo hacia arriba.


• El peso: P = (–m · g · sin 4º, –m · g · cos 4º).



x

y

4°

P

N

Fr

F

y

x

17

18

6,84,6

va

2 · 4,6 · 52 a · s

75 – 0,3 · 10 · 9,8110

F – μ · m · gm


Física


Aplicando: F = m · a, a cada uno de los ejes, obtenemos:

En el eje x:

–m · g · sin 4º – μ · N = m · a

En el eje y:

N – m · g · cos 4º = 0

Despejando la normal de la segunda ecuación y sustituyendoen la primera queda:

–m · g · sin 4º – μ · m · g · cos 4º = m · a

Simplificando:

a = –g · (sin 4º + μ · cos 4º)


a = –3,1 m/s2

Un cuerpo de 25 kg sube por un plano inclinado 25º, cuyo coeficiente de rozamiento es μ = 0,25, debido a que sobreél se aplica una fuerza de 300 N en la dirección del desplazamiento.

a) ¿Con qué aceleración asciende el cuerpo?

b) ¿Qué fuerza habría que aplicar en la dirección del desplazamiento para que el cuerpo suba con velocidad cons-tante?

a) La dirección del movimiento y su sentido será el eje positivo de las x, el eje perpendicular a esteserá por tanto el de las y, con sentido positivo hacia arriba.





• La fuerza aplicada: F = (F, 0).

Aplicando que F = m · a, a cada uno de los ejes obtenemos:

En el eje x:

F – m · g · sin 25º – μ · N = m · a

En el eje y:

N – m · g · cos 25º = 0

Despejando la normal de la segunda ecuación y sustituyendo en la primera queda:

F – m · g · sin 25º – μ · m · g · cos 25º = m · a

Despejando la aceleración:

a =


a = 5,6 m/s2

b) Para que el cuerpo suba con velocidad constante la aceleración en el eje x, debe ser cero, portanto, las ecuaciones serían:

En el eje x:

F – m · g · sin 25º – μ · N = 0

P

N

F

y

x

25°

25°Fr

P

N

Fr

y

x

19

F – m · g · (sin 25º + μ · cos 25º)m


Física

270

En el eje y:

N – m · g · cos 25º = 0

Despejando la normal de la segunda y sustituyendo en la primera queda:

F – m · g · sin 25º – μ · m · g · cos 25º = 0

Despejando la fuerza:

F = m · g · (sin 25º + μ · cos 25º)


F = 159 N

Tenemos un plano inclinado de 10 m de longitud y 30º de ángulo. a) ¿Qué velocidad paralela al plano debe comunicarse a un cuerpo de masa 1 kg para que, al llegar al final del

plano, la velocidad sea 0? Suponemos que no hay rozamiento. b) Si existe un rozamiento de coeficiente μ = 0,1, ¿cuánto tiempo tardaría en recorrer el plano? c) La masa, una vez arriba, inicia el descenso. ¿Cuánto tiempo tardará en llegar otra vez al suelo? ¿Con qué velo-

cidad llegará? Resuelve este apartado con y sin rozamiento.

a) Para calcular la velocidad hay que conocer la aceleración con la que sube el cuerpo.

La dirección del movimiento y su sentido será el eje positivode las x, el eje perpendicular a este será, por tanto, el de lasy, con sentido positivo hacia arriba.





En el eje x:

–m · g · sin 30º = m · a

En el eje y:

N – m · g · cos 30º = 0

Directamente de la primera obtenemos la aceleración:

a = –g · sin 30º = –4,91 m/s2

Conocida la aceleración, la velocidad inicial v0, para que suba los 10 m por el plano, se puede cal-cular a partir de:

v2 = v20 + 2 a · s → v0 = � = 9,9 m/s

b) La aceleración en este caso habría que volver a calcularla.






En el eje x:–m · g · sin 30º – μ · N = m · a

En el eje y:

N – m · g · cos 30º = 0 P

N

Fr

y

x

30°

P

N

y

x

30°

20

2 · 4,91 · 10


Física


Despejando la normal de la segunda ecuación y sustituyendo en la primera:

–m · g · sin 30º – μ · m · g · cos 30º = m · a

Simplificando:

a = –g · (sin 30º + μ · cos 30º)


a = –5,8 m/s2

La velocidad inicial en este caso sería:

v2 = v20 + 2 a · s → v0 = � = 10,8 m/s

El tiempo empleado en recorrer el plano sería:

v – v0 = a · t → t = = 1,9 s

c) Resolveremos primero en el caso de que exista rozamiento. La aceleración de bajada se calculaa partir de las ecuaciones de la dinámica.


• El peso: P = (m · g · sin 30º, –m · g · cos 30º).




En el eje x:

m · g · sin 30º – μ · N = m · a

En el eje y:

N – m · g · cos 30º = 0


m · g · sin 30º – μ · m · g · cos 30º = m · a

Simplificando:

a = g · (sin 30º – μ · cos 30º)


a = 4,1 m/s2

La velocidad inicial es cero, por tanto:

v2 = v20 + 2 a · s → v = � = 9,1 m/s


v – v0 = a · t → t = = 2,2 s

Si no existe rozamiento basta sustituir μ = 0, para obtener los resultados:

a = g · sin 30º


a = 4,91 m/s2

La velocidad al final del plano será:

v2 = v20 + 2 a · s → v = � = 9,9 m/s2 · 4,91 · 10

9,14,1

2 · 5,8 · 10

10,85,8

2 · 4,1 · 10

P

N

Fr

Py

Px

y

x

30°


Física

272


v – v0 = a · t → t = = 2,0 s

Un cuerpo de 5 kg es lanzado a la velocidad de 11 m/s por un plano inclinado 30º con la horizontal. Si el coeficien-te de rozamiento es μ = 0,25, calcula la aceleración y el espacio que recorre hasta detenerse. Indica si las solucio-nes son las mismas con otra masa.

Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y hacia el cen-tro de la Tierra: P = (–m · g · sin 30º, –m · g · cos 30º).

• La normal, N, reacción del plano sobre el cuerpo, perpen-dicular a la superficie de apoyo y hacia arriba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento, Fr , en la dirección del movimien-to y sentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).

Aplicando el segundo principio a los dos ejes tenemos:

En el eje y no hay movimiento, en consecuencia:

N – m · g · cos 30º = 0 → N = m · g · cos 30º

En el eje x:

–m · g · sin 30º – μ · N = m · a

Sustituyendo el valor de la normal en esta ecuación:

–m · g · sin 30º – μ · m · g · cos 30º = m · a → a = –g · sin 30º – μ · g · cos 30º

Podemos sacar factor común a la aceleración de la gravedad y obtenemos:

a = –g · (sin 30º + μ · cos 30º) = –9,81 · (sin 30º + 0,25 · cos 30º) = –7 m/s2

Conocidas las velocidades y la aceleración, el espacio será:

v2 = v20 + 2 a · s → s = = = 8,6 m

Los resultados son independientes del valor de la masa.

Un cuerpo recorre 10 m en una rampa de 45º al deslizarse sin velocidad inicial durante 1,75 s. Si su masa es de1,5 kg, calcula: a) La aceleración media. b) La fuerza neta.c) La fuerza que se opone al deslizamiento.

a) La aceleración del cuerpo si recorre un espacio de 10 m, partiendo con velocidad cero, en 1,75 sserá:

s = a · t 2 → a = = = 6,5 m/s2

b) La fuerza neta se calcula directamente aplicando el segundo prin-cipio:

F = m · a → F = 1,5 · 6,5 = 9,75 N

c) Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y hacia el centro de laTierra: P = (m · g · sin 45º, –m · g · cos 45º).

• La normal, N, reacción del plano sobre el cuerpo, perpendicular ala superficie de apoyo y hacia arriba: N = (0, N).

21

9,94,91

2 · 101,752

2 st 2

12

22

0 – 112

2 · (–7)v2 – v2

0

2 a

P

Nv0

Fr

Py

Px

y

x

30°

P

NFr

PyPx45°

45°


Física


• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimiento y sentido contrario: Fr = (–Fr, 0).

Sobre el eje del movimiento la fuerza total es:

F = m · g · sin 45º – Fr → Fr = m · g · sin 45º – F → Fr = 1,5 · 9,81 · sin 45º – 9,75 = 0,66 N

Si no tienes dinamómetro ¿cómo determinarías el coeficiente estático entre un cuerpo y el material sobre el quese desliza?

Lo normal es medir los coeficientes de rozamiento mediante un plano inclinado. Se coloca el cuer-po sobre un plano que se va inclinando poco a poco, el ángulo para el que el cuerpo comienza adeslizar permite calcular el coeficiente de rozamiento estático. En efecto, en el instante en quecomienza el movimiento se cumple que:

m · g · sin α – Fr = 0 → m · g · sin α – μ · m · g · cos α = 0 → μ = = tan α

El coeficiente estático de rozamiento es igual a la tangente del ángulo formado por el plano conla horizontal en el momento de iniciarse el deslizamiento.

En la parte superior de un plano inclinado se deja un cuerpo. Si el coeficiente de rozamiento estático vale 0,2. ¿Cuáles el ángulo de inclinación del plano en el momento en el que el cuerpo comienza a moverse?


• El peso: P = (m · g · sin α, –m · g · cos α).



En este caso no existe aceleración en ninguno de los ejes.Aplicando: F = m · a, a cada uno de los ejes obtenemos:

En el eje x:

m · g · sin α – μ · N = 0

En el eje y:

N – m · g · cos α = 0


m · g · sin α – μ · m · g · cos α = 0

Simplificando:

sin α – μ · cos α = 0 → tan α = μ = 0,2

Despejando α obtenemos:

α = tan–1 0,2 = 11,3º

P

N

Fr

Py

Px

y

xα

P

N

Fr

Py

Px

y

xα

x

y

Fr

N

P

23

24

sin αcos α


Física

274

De los extremos de una cuerda que pasa por una polea fija de eje horizontal cuelgan pesos de 200 g y 150 g, res-pectivamente. Calcula:a) La aceleración con la que se mueven los pesos.b) La distancia que los separa a 1 s, suponiendo que inicialmente estaban a la

misma altura.

a) El sistema está formado por dos cuerpos que aislaremos.

Fuerzas sobre el cuerpo de masa m1:

• El peso P1, en dirección del radio terrestre y sentido hacia el centrode la Tierra.

• La tensión T, que la cuerda ejerce sobre el cuerpo.

Como todas las fuerzas están en la misma dirección no hace falta des-componer los vectores, de modo que la ecuación que describe la dinámica del cuerpo 1 será:

m1 · g – T = m1 · a

Fuerzas sobre el cuerpo de masa m2:

• El peso P2, en dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de la Tierra.

• La tensión T, que la cuerda transmite íntegramente y ejerce sobre el cuerpo.

La ecuación que describe la dinámica del cuerpo 2 será:

T – m2 · g = m2 · a

El sistema formado por estas dos ecuaciones permite conocer el valor de la aceleración del sistema.Sumando ambas obtenemos:

m1 · g – m2 · g = (m1 + m2) · a


a = · g → a = · 9,81 = 1,4 m/s2

b) Si los cuerpos parten del reposo el espacio que recorre cada uno será:

s = a · t 2 → s = · 1,4 · 12 = 0,7 m

Si los cuerpos partieron del mismo nivel la distancia entre ellos será:

d = 2 · 0,7 = 1,4 m

Sobre una mesa, un cuerpo de 500 g va unido mediante un hilo, que pasa por una polea, a otro de 175 g, que cuel-ga. Suponiendo que no hay rozamiento y que la masa de la polea es despreciable, calcula la aceleración y la ten-sión del hilo. Realiza los mismos cálculos considerando un rozamiento de coeficiente μ = 0,15.

Resolveremos el ejercicio con rozamiento, los resultados paracuando no haya rozamiento los obtendremos haciendo μ = 0, enlas soluciones.

El sistema está formado por dos cuerpos:

Fuerzas sobre el cuerpo que desliza por el plano:

• El peso P1, en la dirección del radio terrestre y hacia el centro dela Tierra: P1 = (0, –m1 · g).

• La normal, N, reacción del plano sobre el cuerpo, perpendiculara la superficie de apoyo y hacia arriba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimiento ysentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).

N

m2 · g

TFr

Tm1 · g

m1

m2

P2 P1

TT

T

m1

m2

25

26

12

12

200 – 150200 + 150

m1 – m2

m2 + m1


Física


• La tensión T que ejerce la cuerda sobre el cuerpo: T = (T, 0).

Sobre el eje y, no hay movimiento por tanto la ecuación a plantear es:

N – m1 · g = 0

Sobre el eje del movimiento será:

T – μ · N = m1 · a

Despejando la normal de la primera ecuación y sustituyendo en la segunda obtenemos:

T – μ · m1 · g = m1 · a

Fuerzas sobre el cuerpo que cuelga:

• El peso P2, en la dirección del radio terrestre y hacia el centro de la Tierra.

• La tensión T que transmite íntegramente la cuerda y se ejerce sobre el cuerpo.

En este caso no es necesario descomponer las fuerzas de forma que la ecuación para este cuerposerá:

m2 · g – T = m2 · a

Estas ecuaciones resuelven el ejercicio. Sumando miembro a miembro obtenemos:

m2 · g – μ · m1 · g = (m1 + m2) · a → g · (m2 – μ · m1) = (m1 + m2) · a

Despejando la aceleración y sustituyendo valores se obtiene:

a = · g = · 9,81 = 1,45 m/s2

La tensión se obtiene despejándola de cualquiera de las ecuaciones:

T = m2 · g – m2 · a = m2 · (g – a) = 0,175 · (9,81 – 1,45) = 1,46 N

Si no hubiera rozamiento, μ = 0, las ecuaciones serían:

a = · g = · 9,81 = 2,54 m/s2

Y la tensión:

T = m2 · g – m2 · a = m2 · (g – a) = 0,175 · (9,81 – 2,54) = 1,27 N

Utiliza los datos de la figura para calcular la aceleración del sistema y la tensión de la cuerda, sabiendo que el coe-ficiente de rozamiento es 0,4. ¿Cuánto tendrá que valer m2 para que se mueva con velocidad constante?

Fuerzas sobre el cuerpo que desliza por el plano hori-zontal:

• El peso P1, en la dirección del radio terrestre y haciael centro de la Tierra: P1 = (0, –m1 · g).

• La normal, N, reacción del plano sobre el cuerpo, perpendicular a la superficie de apoyo y hacia arriba:N = (0, N).

m1 = 1 kg

m2 = 4 kg

45°

27

175500 + 175

m2

m1 + m2

175 – 0,15 · 500500 + 175

m2 – μ · m1

m1 + m2

N1

N2P1

P2

T

T

Fr

Frm1 = 1 kgm2 = 4 kg

m1

m2

y

x

45°


Física

276

• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimiento y sentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).


Sobre el eje y, no hay movimiento, por tanto, la ecuación a plantear es:

N – m1 · g = 0 → N = m1 · g

Sobre el eje del movimiento será:

T – μ · N = m1 · a

Despejando la normal de la primera ecuación y sustituyendo en la segunda obtenemos:

T – μ · m1 · g = m1 · a (I)

Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo que desliza por el plano inclinado son:

• El peso P2, en la dirección del radio terrestre y hacia el centro de la Tierra: P = (m2 · g · sin 45º,–m2 · g · cos 45º).

• La normal, N, reacción del plano sobre el cuerpo, perpendicular a la superficie de apoyo y haciaarriba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimiento y sentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).

• La tensión T que ejerce la cuerda sobre el cuerpo: T = (–T, 0).


Sobre el eje y no hay movimiento, en consecuencia:

N – m2 · g · cos 45º = 0 → N = m2 · g · cos 45º

Sobre el eje x:

m2 · g · sin 45º – μ · N – T = m2 · a

Sustituyendo el valor de la normal en esta ecuación obtenemos:

m2 · g · sin 45º – μ · m2 · g · cos 45º – T = m2 · a (II)

Sumando las ecuaciones (I) y (II) obtenemos:

m2 · g · sin 45º – μ · m2 · g · cos 45º – μ · m1 · g = (m1 + m2) · a


a = · g = · 9,81 = 2,54 m/s2

La tensión la obtenemos sustituyendo la aceleración en cualquiera de las ecuaciones:

T – μ · m1 · g = m1 · a → T = m1 · (μ · g + a) = 1 · (0,4 · 9,81 + 2,54) = 6,46 N

Para que las masas se muevan con velocidad constante la aceleración debe valer: a = 0. Por tanto:

m2 · g · sin 45º – μ · m2 · g · cos 45º – μ · m1 · g = 0

Despejando la masa m2:

m2 = = = 0,943 kg

De los extremos de una cuerda que pasa por la garganta de una polea fija de eje horizontal penden dos masas de500 g cada una. ¿Qué masa habrá que añadir a una de las dos para que la otra suba 2 m en 2 s?

Para que una de las masas recorra 2 m en 2 s, la aceleración será:

s = a · t 2 → a = = = 1 m/s22 · 222

2 st 2

12

28

0,4 · 1 sin 45° – 0,4 · cos 45°

μ · m1

sin 45° – μ · cos 45°

4 · sin 45° – 0,4 · (4 · cos 45° + 1) 1 + 4

m2 · sin 45° – μ · (m2 · cos 45° + m1) m1 + m2


Física


El sistema está formado por dos cuerpos, uno de masa m y el otro demasa m + m’.

Fuerzas sobre el cuerpo de masa m + m’:

• El peso P’, en dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro dela Tierra.

• La tensión T que la cuerda ejerce sobre el cuerpo.

La ecuación que describe la dinámica del cuerpo será:

(m + m’) · g – T = (m + m’) · a

Fuerzas sobre el cuerpo de masa m:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de la Tierra.

• La tensión T que la cuerda transmite íntegramente y ejerce sobre el cuerpo.


T – m · g = m · a


(m + m’) · g – m · g = (2 m + m’) · a → m’ · g = (2 m + m’) · a

Despejando la masa m’:

m’ · (g – a) = 2 m · a → m’ = = = 0,114 kg = 114 g

Una grúa levanta un contenedor de 1 200 kg con una aceleración de 0,25 m/s2. Calcula:

a) La tensión del cable de la grúa.

b) La altura a los 10 s.

c) La tensión del cable si el contenedor sube a una velocidad constante.

a) Fuerzas sobre el cuerpo de masa m:

• El peso P, en dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro dela Tierra.

• La tensión T que el cable transmite íntegramente y ejerce sobre elcuerpo.


T – m · g = m · a → T = m · (g + a) = 1 200 · (9,81 + 0,25) = 12 072 N

b) En 10 s el contenedor recorre:

h = a · t 2 → h = · 0,25 · 102 = 12,5 m

c) En el caso de que el contenedor suba con velocidad constante, a = 0, la ecuación que describesu dinámica sería:

T – m · g = 0 → T = m · g = 1 200 · 9,81 = 11 772 N

La resistencia del cable de una grúa es de 7 680 N. ¿Cuál es la aceleración máxima con la que debe subir un con-tenedor de 600 kg para que no se rompa el cable?

Fuerzas sobre el cuerpo de masa m:

• El peso P, en dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de la Tierra.

29

2 · 0,5 · 19,81 – 1

2 m · ag – a

30

12

12

PP′

TT

T

x

x

P

T

T

x


Física

278

• La tensión T que el cable transmite íntegramente y ejerce sobre elcuerpo.


T – m · g = m · a

Despejando la aceleración y sustituyendo valores obtenemos:

a = → a = = 2,99 m/s2

En el sistema de la figura, el plano tiene un coeficiente de rozamiento μ = 0,35;la polea no tiene masa ni rozamiento y los dos cuerpos tienen masas m1 = 750 gy m2 = 1 kg. Calcula:

a) La aceleración del sistema. b) La tensión de la cuerda.

Como el sistema consta de dos cuerpos conviene separarlos. En el cuerpo apoyado sobre elplano, la dirección de su movimiento y su sentido será el eje positivo de las x. Las fuerzas aplica-das son:

• El peso: P1 = (0, –m1 · g).




Aplicando: F = m · a, a cada uno de los ejes obtenemos:

En el eje x:

T – μ · N = m1 · a

En el eje y:

N – m1 · g = 0

Despejando la normal de la segunda ecuación y sustituyendo en laprimera obtenemos, para este cuerpo:

T – μ · m1 · g = m1 · a (I)

En el otro cuerpo, la dirección del movimiento y su sentido será el eje positivo delas y. Las fuerzas aplicadas son:

• El peso: P2 = (0, m2 · g).


Aplicando la ecuación del segundo principio al eje y, obtenemos para el segundocuerpo:

m2 · g – T = m2 · a (II)

m1

m 2

31

7 680 – 600 · 9,81600

T – m · gm

P

T

T

x

P2

T

y

P1

N

Fr

T

y

x


Física


En definitiva, disponemos de dos ecuaciones con dos incógnitas, la tensión de la cuerda, T, y la ace-leración del sistema, a, que resolveremos por cualquiera de los métodos habituales, obteniendo losvalores:

a = · g = · 9,81 = 4,13 m/s2

T = 5,68 N

Dos masas iguales de 10 kg están atadas a los extremos de una cuerda y descansan sobre sendos planos inclina-dos, cuyas inclinaciones son α = 30º y β = 60º, como se indica en la figura. Si los coeficientes de rozamiento de cadamasa con sus respectivos planos valen μ = 0,1, calcula:a) La aceleración del conjunto.b) La tensión de la cuerda.

a) Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo que desliza por el plano inclinado de ángulo α son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y hacia el cen-tro de la Tierra: P = (–m · g · sin α, –m · g · cos α).

• La normal, N, reacción del plano sobre el cuerpo, perpen-dicular a la superficie de apoyo y hacia arriba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimien-to y sentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).




N – m · g · cos α = 0 → N = m · g · cos α

En el eje x:

T – m · g · sin α – μ · N = m · a


T – m · g · sin α – μ · m · g · cos α = m · a (I)

Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo que desliza por el planoinclinado de ángulo β son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y hacia el centro dela Tierra: P = (m · g · sin β, –m · g · cos β).

• La normal, N, reacción del plano sobre el cuerpo, perpendiculara la superficie de apoyo y hacia arriba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimiento ysentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).

• La tensión T que ejerce la cuerda sobre el cuerpo: T = (–T, 0).



N – m · g · cos β = 0 → N = m · g · cos β

mm

α β

1 – 0,35 · 0,750,75 + 1

m2 – μ · m1

m1 + m2

32

P

N

Fr

T

α

P

T N

Fr

β


Física

280

En el eje x:

m · g · sin β – μ · N – T = m · a


m · g · sin β – μ · m · g · cos β – T = m · a (II)

Las ecuaciones (I) y (II) forman un sistema cuya resolución permite conocer los valores de la acele-ración del sistema y la tensión de la cuerda.

Sumando (I) y (II) y dividiendo por m, queda:

g · sin β – μ · g · cos β – g · sin α – μ · g · cos α = 2 a → g · (sin β – sin α) – μ · g · (cos β + cos α) = 2 a


a = 1,1 m/s2

b) Sustituyendo este valor en cualquiera de las ecuaciones (I) o (II) obtenemos la tensión de la cuerda:

m · g · sin β – μ · m · g · cos β – T = m · a → T = m · g · sin β – μ · m · g · cos β – m · a

T = 69 N

En el sistema representado en la figura, las masas de los cuerpos son m1 = 50 kg, m2 = 75 kg y m3 = 100 kg, y el coe-ficiente de rozamiento entre el plano y el cuerpo es μ = 0,25. Calcula:a) La aceleración del sistema.b) Las tensiones de las cuerdas.

a) Las fuerzas sobre el cuerpo de masa m1 son:

• El peso P1, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de la Tierra.

• La tensión T1 que la cuerda transmite íntegramente y ejerce sobre el cuerpo.


T1 – m1 · g = m1 · a (I)

Las fuerzas que actúan sobre el objeto de masa m2 son:

• El peso P2, en la dirección del radio terrestre y hacia el centro de laTierra: P2 = (0, –m2 · g).

• La normal, N, reacción del suelo sobre el cuerpo, perpendicular a lasuperficie de apoyo y hacia arriba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento, Fr, en la dirección del movimiento y ensentido contrario: Fr = (–μ · N, 0).

• La tensión T1, debida al cuerpo de masa m1: T1 = (–T1, 0).

• La tensión T2, debida al cuerpo de masa m2: T2 = (T2, 0).

Aplicamos el segundo principio a cada uno de los ejes:

Sobre el eje y no hay movimiento, por tanto, al aplicar el segundoprincipio en este eje queda:

N – m2 · g = 0 → N = m2 · g

m3

m2

m1

33

T1

P1

x

N

P2

T1 T2

Fr

x

y


Física


Sobre el eje x existe aceleración por tanto:

T2 – T1 – μ · N = m2 · a → T2 – T1 – μ · m2 · g = m2 · a (II)

Las fuerzas sobre el cuerpo de masa m3 son:


• La tensión T2 que la cuerda transmite íntegramente y ejerce sobre el cuerpo.


m3 · g – T2 = m3 · a (III)

Las ecuaciones (I), (II) y (III) forman un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas: T1, T2 y a.

Sumando las tres ecuaciones obtenemos:

m3 · g – m1 · g – μ · m2 · g = (m1 + m2 + m3) · a


a = · g = 1,36 m/s2

b) Sustituyendo en la ecuación (I) obtenemos T1:

T1 – m1 · g = m1 · a → T1 = m1 · (a + g) = 559 N

Sustituyendo la aceleración en la ecuación (III) obtenemos T2:

m3 · g – T2 = m3 · a → T2 = m3 · (g – a) = 845 N

Si un vehículo toma una curva a una velocidad excesiva, ¿por qué no puede completarla? Explica por qué las carre-teras con peralte retienen mejor a los vehículos en las curvas.

Al describir una curva el vehículo lleva una aceleración centrípeta en la dirección del radio y en sen-tido hacia el centro.

Si el pavimento es horizontal, la única fuerza que retiene al vehículo en la dirección del radio es lafuerza de rozamiento. En consecuencia:

Fr = m ·

Si el valor de la velocidad es mayor al que cumple esta ecuación, el vehículo desliza y se sale delpavimento.

Si el pavimento está peraltado un ángulo α, además del rozamiento, la componente Px ayuda amantener el coche sobre la carretera:

Fr + m · g · sin α = m · (para α pequeños)

El efecto del peralte es un aumento del valor de la fuerza que retiene al vehículo, en consecuen-cia, con el mismo radio, el coche podrá circular con mayor velocidad.

Una máquina radial, empleada para lijar, desprende una partícula de 5 g cuando gira, a razón de 10 000 rpm. Si lapartícula pertenece al borde del disco, que tiene 8 cm de radio, calcula la fuerza centrípeta a que estaba someti-da y la velocidad con la que salió desprendida. ¿Puede producir una lesión grave si alcanza a una persona?

La velocidad angular expresada en unidades internacionales es:

ω = 10 000 rpm = 10 000 · = 1 047 rad/s

La fuerza centrípeta será:

Fc = m · ω2 · R = 5 · 10–3 · 0,08 · (1 047)2 = 438,5 N

m3 – m1 – μ · m2

m1 + m2 + m3

34

v 2

R

v 2

R

2 π rad60 s

35

T2

P3

x


Física

282

La velocidad con la que sale es:

v = ω · R = 1 047 · 0,08 = 83,8 m/s

Es una velocidad muy alta, del orden de magnitud de las velocidades que proporcionan las armasde fuego, por tanto, si puede producir lesiones graves.

¿Con qué velocidad angular mínima hay que hacer girar un cubo en el plano vertical según un círculo de radio 80 cmpara que el agua que contiene no se derrame? ¿Cuál será la velocidad tangencial del cubo en esas condiciones?

Si nos situamos fuera del cubo, el eje del movimiento sería tangente a latrayectoria y, en consecuencia, el eje y tendría la dirección del radio y sen-tido positivo hacia el centro de la circunferencia.

Las fuerzas que actúan sobre el agua del cubo en el punto más alto serían:

• El peso: P = (0, m · g).

• La normal: N = (0, –N).

La aceleración del movimiento es centrípeta, por tanto, el segundo princi-pio nos permite escribir:

m · g – N = m · ω2 · R

La velocidad angular mínima que debe llevar el cubo, en ese punto, será aquella para la queN = 0, en consecuencia:

m · g = m · ω2 · R → ω = � = � = 3,5 rad/s

La velocidad lineal correspondiente sería:

v = ω · R = 2,8 m/s

En una revista leemos que el tambor de una lavadora industrial es un cilindro de 40 cm de diámetro, y que la velo-cidad máxima de centrifugado es de 1 200 rpm. Calcula la fuerza a la que está sometida una carga de 15 kg de ropa,distribuidos en la periferia. ¿Cuántas veces es mayor que su peso?

La velocidad angular expresada en unidades internacionales será:

ω = 1 200 rpm = 1 200 · = 126 rad/s

La fuerza a la que estarán sometidos los 15 kg de ropa es la fuerza centrípeta:

Fc = m · ω2 · R = 15 · 1262 · 0,20 = 47 628 N

La relación entre esta fuerza y el peso de un kilogramo (P = 9,81 N) es:

= = 324

En consecuencia, Fc es 324 veces mayor que el peso de la ropa.

Un ascensor de 120 kg transporta a tres personas cuya masa, entre las tres, es de 210 kg. Halla:

a) La fuerza que ejercen las personas sobre el ascensor cuando sube con aceleración de 0,5 m/s2.b) La fuerza que ejerce el motor, mediante el cable, en este movimiento.c) Las mismas fuerzas que en los apartados anteriores, pero cuando frena al llegar al piso con una aceleración de

–1,5 m/s2.

Si nos situamos fuera del ascensor:

a) Las fuerzas aplicadas sobre las personas son el peso y la normal. En consecuencia:

N – m · g = m · a → N = m · (a + g) = 210 · (0,5 + 9,81) = 2 165 N

36

47 62815 · 9,81

Fc

P

2 π rad60 s

37

9,810,80

gR

38

T

v

P


Física


b) Sobre el ascensor está aplicado, su peso más el de las personas que van den-tro y la tensión del cable:

T – (m + M) · g = (m + M) · a → T = (m + M) · (a + g) = 330 · 10,31 = 3 402 N

c) Lo único que cambia es el signo de la aceleración que ahora es de frenado:a = –1,5 m/s2

En el caso (a): N = m · (a + g) = 210 · (–1,5 + 9,81) = 1 745 N.

En el caso (b): T = (m + M) · (a + g) = 330 · 8,31 = 2 742 N.

Una mesa horizontal con rozamiento de coeficiente μ = 0,25, tiene un agujero. Sobre la mesa hay un cuerpo demasa m = 500 g unido, mediante una cuerda que pasa por el agujero, a otro cuerpo de masa M = 750 g. Este segun-do cuerpo está suspendido. Calcula la velocidad con la que debe dar vueltas m en una circunferencia de 25 cm deradio, para que M esté en reposo.

Si nos situamos sobre el cuerpo que gira sobre la mesa, estaremos en reposo respecto de él, en con-secuencia, la suma de fuerzas debe ser cero.

Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo situado encima de la mesa son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia elcentro de la Tierra: P = (0, –m · g).

• La normal N, perpendicular a la superficie de contacto y haciaarriba: N = (0, N).

• La tensión de la cuerda T, en la dirección de la cuerda y tiran-do del cuerpo que se encuentra encima: T = (T, 0).

• La fuerza de rozamiento Fr, en la dirección del radio y senti-do hacia fuera de la circunferencia: Fr = (–μ · N, 0).

• La fuerza de inercia fi, en la dirección del radio y sentido hacia

fuera de la circunferencia: fi = (–m · , 0).

De la aplicación del segundo principio de la dinámica sobre los ejes, y teniendo en cuenta que sepretende que el cuerpo de masa M no caiga, se obtienen las ecuaciones:

N – m · g = 0

T – μ · N – m · = 0

Despejando la normal de la primera ecuación y sustituyendo en la segundatenemos:

T – μ · m · g – m · = 0 (I)

Las fuerzas sobre el cuerpo que cuelga son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de laTierra.

• La tensión de la cuerda T, en la dirección de la cuerda y sujetando el cuerpode masa M.

m

M

v 2

R

v 2

R

v 2

R

39

N

P

T

P

N

fi

Fr

T

P

T


Física

284

Ambas fuerzas tienen la misma dirección, por tanto, la ecuación que describe la dinámica de estecuerpo, que se pretende esté en reposo es:

M · g – T = 0 (II)

El sistema formado por las ecuaciones (I) y (II) resuelve el ejercicio:

M · g – μ · m · g – m · = 0

Despejando la velocidad obtenemos:

v = �Sustituyendo los datos en el Sistema Internacional obtenemos:

v = � = 1,75 m/s

Te has olvidado la mochila sobre la parte delantera del techo de un coche de 1,5 m de largo. El coeficiente estáti-co de rozamiento entre el techo del coche y la mochila es de 0,25 y el dinámico de 0,20. Si el coche arranca en línearecta con una aceleración de 2,7 m/s2, averigua si deslizará la mochila y, en caso afirmativo, calcula cuánto tiem-po tardará en caer por el otro extremo del techo del coche.

Si nos ponemos en un sistema de referencia ligado a la mochila,las fuerzas sobre ella serán:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia elcentro de la Tierra: P = (0, –m · g).

• La normal N, perpendicular a la superficie de contacto y haciaarriba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento Fr, en la dirección del movimiento dela mochila y sentido contrario: Fr = ( –μ · N, 0).

• La fuerza de inercia fi, en la dirección del movimiento delcoche y sentido contrario: fi = (m · ac, 0).

El valor de la normal, en este caso, coincide con el peso de la mochila: N = m · g.

La mochila deslizará sobre el techo si:

fi > μe · N → m · ac > μe · m · g → ac > μe · g

Como ac = 2,7 m/s2 y μe · g = 0,25 · 9,81 = 2,45, la desigualdad se cumple y, en consecuencia, lamochila deslizará sobre el techo del coche.

La ecuación sobre el eje del movimiento de la mochila será:

fi – μc · N = m · am → m · ac – μc · m · g = m · am → am = ac – μc · g = 2,7 – 0,20 · 9,81 = 0,74 m/s2

Con esta aceleración, y partiendo del reposo, la mochila tarda en recorrer los 1,5 m del techo:

s = am · t 2 → t = � = � = 2 s

Un vehículo de masa 1 300 kg toma una curva sinperalte de 200 m de radio a una velocidad de 90 km/h.Calcula:

a) La fuerza de rozamiento. b) La velocidad que podría tomar en la curva si tuvie-

ra un peralte de 10º y el mismo rozamiento.

41

v 2

R

(M – μ · m) · R · gm

2 · 1,50,74

2 sam

12

40

(0,75 – 0,25 · 0,5) · 0,25 · 9,810,5

N fi

Fr x

y

P

x

y

10°


Física


La velocidad del coche expresada en m/s es:

v = 90 km/h → v = 90 · = 25 m/s

Si nos situamos dentro del coche nos vemos en reposo, en consecuencia, la suma de fuerzas debe sercero, pero debemos admitir una fuerza de inercia en la dirección del radio, hacia fuera y de valor:

fi = m ·

a) Si no hay peralte estamos en un plano horizontal. Las fuerzas que actúan sobre el coche son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el centrode la Tierra: P = (0, –m · g).

• La normal N, perpendicular a la superficie de contacto y hacia arriba:N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento Fr, en dirección del radio y sentido hacia elcentro: Fr = (–Fr, 0).

• La fuerza de inercia fi, en la dirección del radio de la curva y hacia el

exterior: fi = (m · , 0).

Aplicando la ecuación del segundo principio al eje horizontal y teniendo en cuenta que el cocheestá en reposo respecto del sistema obtenemos:

–Fr + m · = 0 → Fr = m · = 1 300 · = 4 062,5 N

b) Las fuerzas que actúan sobre el coche son las mismas en este caso:



• La fuerza de rozamiento Fr, en dirección del plano y sentidohacia abajo: Fr = (–Fr, 0).

• La fuerza de inercia fi, en la dirección del radio de la circunfe-rencia y hacia el exterior de ella:

fi = (m · · cos 10º, –m · · sin 10º).

La ecuación sobre el eje del movimiento es ahora:

–Fr – m · g · sin 10º + m · · cos 10º = 0

Despejando la velocidad obtenemos:

v = �Sustituyendo los datos obtenemos:

v = 31,3 m/s

Una pieza metálica de 100 g va atada a un hilo de 80 cm que se rompe si la tensión a la que está sometido sobre-pasa los 20 N. Si ponemos a girar esa pieza como si fuese una honda, ¿qué velocidad tendrá cuando se rompa elhilo? ¿Qué dirección tendrá la velocidad de la pieza metálica en el momento de romperse el hilo?

Supondremos que hacemos girar la honda en un plano vertical, la fuerza aplicada sobre la piezametálica es la diferencia entre la tensión del hilo y el peso de la pieza:

T – P = m · ac → T – P = m · v 2

R

v 2

R

1 000 m3 600 s

42

R · (Fr + m · g · sin 10°)m · cos 10°

v 2

R

v 2

Rv 2

R

252

200v 2

Rv 2

R

v 2

R

N

fi

Fr

P

N

fi

Fr

P

10°

10°


Física

286

Despejamos la velocidad:

v = � = � = 12,3 m/s

La dirección es tangente a la trayectoria y sentido el del movimiento.

Un vagón se mueve sobre una vía horizontal con una aceleración constante de 2,5 m/s2. En el interior, colgado deltecho, se coloca un péndulo de longitud L = 1 m y masa m = 300 g.

a) Dibuja el diagrama de fuerzas ejercidas sobre la masa del péndulo para un observador inercial y para otro queestá dentro del vagón.

b) Calcula el ángulo que se desvía el péndulo respecto a la vertical.

a) Para un observador inercial, fuera del vagón, las fuerzas ejercidas sobre la masa del péndulo son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de la Tierra.

• La tensión del hilo T, en la dirección del hilo que sujeta la masa m.

Para un observador no inercial, dentro del vagón, las fuerzas ejercidas sobre la masa del pénduloson:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de la Tierra: P = (0, –m · g).

• La tensión del hilo T, en la dirección del hilo: T = (T · sin α, T · cos α).

• La fuerza de inercia fi, en la dirección del movimiento del vagón y sentido contrario: fi = (–m · a, 0).

El observador dentro del vagón ve el péndulo en reposo, por tanto, debe plantear las siguientesecuaciones sobre los ejes:

T · cos α – m · g = 0

T · sin α – m · a = 0

Separamos las razones trigonométricas:

T · cos α = m · g

T · sin α = m · a

Dividimos las ecuaciones entre sí obteniendo:

tan α =


tan α = = 0,25 → α = 14,3º2,59,81

ag

P

αT α

P

fi

T

43

20 · 0,80 – 0,1 · 0,80 · 9,810,1

T · R – m · R · gm

P

T


Física


Una caja de m = 2 kg está colocada sobre otra de masa M = 5 kg. Sabiendo que el coeficiente de rozamiento entrelas dos cajas es de μ = 0,2, calcula el valor máximo de la aceleración del conjunto, de manera que la caja de arri-ba no se deslice sobre la de abajo.

Cuando la caja de abajo se mueve con cierta aceleración a hacia la derecha, la de arriba viaja enun sistema no inercial y sobre ella se ejerce una fuerza de inercia en la dirección del movimiento yhacia la izquierda que la intentará mover en ese sentido.

Las fuerzas sobre la caja de arriba son:

• El peso P, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el cen-tro de la Tierra: P = (0, –m · g).

• La normal N, perpendicular a la superficie de contacto y hacia arri-ba: N = (0, N).

• La fuerza de rozamiento Fr, en la dirección del movimiento y en sen-tido contrario a este. Como la caja tiende a moverse hacia la izquier-da la fuerza de rozamiento va hacia la derecha: Fr = (μ · N, 0).

• La fuerza de inercia fi, en la dirección del movimiento del conjun-to y en sentido contrario a este: fi = (–m · a, 0).

La caja de arriba está en reposo respecto de la de debajo, de modo que al plantear las ecuacionessobre los ejes debemos escribir:

N – m · g = 0

μ · N – m · a = 0

Resolviendo el sistema obtenemos:

μ · m · g = m · a → a = μ · g

Sustituyendo los datos:

a = 0,2 · 9,81 = 2 m/s2

Enuncia, formula y explica la ley de Hooke. ¿Cómo construirías y calibrarías un dinamómetro?

En los sistemas elásticos, y para pequeñas deformaciones, la fuerza aplicada, F, es directamenteproporcional a la deformación producida:

F = k · Δl

La constante de proporcionalidad, k, se denomina constante elástica del sistema y depende exclu-sivamente del propio sistema.

Un dinamómetro es simplemente un muelle, uno de cuyos extremos se fija en un soporte fijo, untubo transparente, por ejemplo. Al ejercer una fuerza sobre el otro extremo, el muelle se alargaproporcionalmente a la fuerza. Si se mide esa fuerza, tirando con otro dinamómetro calibrado, sepuede marcar la misma en una escala de papel pegada en el tubo. De esta forma el muelle sepuede utilizar como dinamómetro calibrado.

¿Qué expresa y significa la constante elástica de un resorte? ¿En que unidad se mide?

Expresa la fuerza necesaria que hay que aplicar sobre un sistema elástico para producir una defor-mación unidad. En un muelle, por ejemplo, significa la fuerza que hay que aplicar para alargarloo comprimirlo la unidad de longitud. En el SI se mide en newton por metro (N/m).

46

m

M

44

45

P

fi

Fr

N


Física

288

Una caja de 1,5 kg descansa sobre un plano inclinado 30º respecto a la horizontal y está unida a un punto fijomediante un muelle. En la posición de equilibrio el muelle está alargado 5 cm. Despreciando el rozamiento, halla:

a) La constante elástica del muelle. b) La aceleración inicial si se tira de la caja haciéndola deslizar a lo largo del plano inclinado hacia abajo 10 cm

respecto a la posición de equilibrio y luego se suelta.

a) Las fuerzas aplicadas sobre la caja son:

• El peso: P = (m · g · sin 30º, –m · g · cos 30º).


• La fuerza que el muelle ejerce sobre ella: Fm = (–k · x, 0).

Cuando se alcanza el equilibrio, es decir, cuando el muelle se alarga 5 cm, la suma de fuerzas en eleje del movimiento es cero:

m · g · sin 30º – k · x0 = 0

Por tanto, la constante del muelle debe valer:

k = → k = 147,2 N/m

b) Si se estira ahora del muelle 10 cm, la fuerza total, en la direccióndel movimiento, sobre la caja será: F = k · x. Por tanto, en ausenciade rozamientos:

k · x = m · a → a = · x → a = 9,81 m/s2

Un muelle de constante k = 150 N/m está suspendido del techo de un ascensor. Del otro extremo pende un cuerpode 2 kg. Halla la deformación producida cuando el ascensor:

a) Sube con velocidad constante.b) Arranca con aceleración de 1 m/s2.

Si nos situamos fuera del ascensor:

a) La suma de fuerzas sobre el cuerpo será igual a cero ya que sube con velocidad constante:

k · x – m · g = 0 → x = = 0,131 m

b) En este caso vemos subir el cuerpo con aceleración a = 1 m/s2, por tanto:

k · x – m · g = m · a → x = = 0,144 m

Una cualquiera de las masas en una máquina de Atwood está unida a una cuerda mediante un muelle de constan-te elástica 35 N/m, que supondremos sin masa. Si las masas de la máquina son m1 = 175 g y m2 = 250 g, ¿cuál es elalargamiento del muelle?

En primer lugar hay que calcular la aceleración del sistema.

Las fuerzas sobre el cuerpo de masa m1 son:

• El peso P1, en la dirección del radio terrestre y sentido hacia el centro de laTierra.

• La tensión T que la cuerda ejerce sobre el cuerpo.


T – m1 · g = m1 · a

Supondremos el cuerpo 2 como el conjunto m2 + muelle. Entonces, las fuer-zas sobre este cuerpo son:

49

m · (a + g)k

m · gk

48

km

m · g · sin 30°x0

47

P

N

Fm

y

x

P1

m1 m2

P2

T T

T


Física



• La tensión T que la cuerda transmite íntegramente y ejerce sobre el cuerpo.


m2 · g – T = m2 · a


m2 · g – m1 · g = (m1 + m2) · a

Despejando la aceleración y sustituyendo valores se obtiene:

a = · g a = 1,73 m/s2

Si aplicamos el segundo principio al cuerpo 2, que baja con esta aceleración, tendremos:

m2 · g – k · x = m2 · a

Despejando y sustituyendo valores:

x = = 0,058 m

Si la constante del resorte es de 0,4 N/cm y el carrito tiene una masa m = 0,15 kg, haz una gráfica (representandoaceleraciones en cm/s2 y posiciones en cm) centímetro a centímetro desde 0 cm hasta 12 cm cuando, desplazadode la posición de equilibrio hasta esa elongación, se abandona para que oscile.

La aceleración en función del desplazamiento es:

a = –ω2 · x → a = – · x = – · x → a = –266,7 · x

Por tanto, la aceleración es directamente proporcional al desplazamiento de forma que la repre-sentación será una recta que pasa por el origen:

x (cm) a (cm/s2)0 012 –3 200,4 0

12

3 200

a (cm/s2)

x (cm)

A´ 0 –x

xA´

F´

A

A

F´

km

400,15

50

m2 · (g – a)k

m2 – m1

m2 + m1


Documents

Aplicaciones de los principios de la dinámica · Física 13/Aplicaciones de los principios de la dinámica 261 Se deja un cuerpo sobre un plano inclinado 50º con la horizontal